新的光子学工具包：通过光无线电进行量子模拟

González-Tudela和他的团队现在已经开发出一种理论原理，使原子之间的这种有针对性的“光子无线电”成为可能。我们必须将量子比特和光子打包到波导中，”理论家解释说。然而，你如何用这种波导“连接”漂浮在空间光网格中的一组原子，使它们以一种强大的方式交流？这四位理论家的答案是：用极其复杂的光。 

技巧本质上是将拓扑的数学概念从固态物理转移到光子学。在固态物理学中，近年来它引发了一场真正的炒作，因为它能产生全新的、以前未知的材料特性。2016年，三位英国物理学家David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz因成功地将拓扑概念引入固态物理而获得诺贝尔物理学奖。原则上，问题是几何体有多少个孔。例如，一个咖啡杯的把手上有一个洞，就像一个甜甜圈在它的中心一样，因此两者都有拓扑数字1。结果：从纯几何角度来看，杯子和甜甜圈可以很容易地相互转换。另一方面，当一个单孔甜甜圈被转换成三孔椒盐卷饼时，会遇到强烈的拓扑阻力。 

在物理学中，这个空穴数规则的结果是，拓扑结构可以极大地稳定某些物理性质，以防干扰。这导致了量子信息的第二大挑战，因此量子模拟：无处不在的干扰导致高度敏感的量子信息迅速衰减。 

“这种所谓的退相干是量子信息的最大问题，” González-Tudela说。拓扑的迷人特性很快使聪明的人得出结论，即敏感的量子比特可以包装在具有这种拓扑特性的物理系统中。例如，这项研究正在固态物理学中进行，而像微软这样的大公司也在大量投资于这项研究。 

拓扑工具箱 

González-Tudela和他的三位合作者现在设计了一个工具箱，用它可以把这些拓扑概念转化为光子学。有些系统，如光网格中的超冷原子，在可控性方面已经非常先进。因此，它们为量子模拟提供了许多可能性。四位理论家的工具箱为许多创造性的思想开辟了一个新的空间。简单地说，它由一组量子比特组成，例如排列成一行的单个原子。它们可以与一个巧妙构造的线性“光浴”相互作用，这种“光浴”的行为类似于理论物理学家正在寻找的波导。 

如果现在有人操纵系统的各种调节螺丝，量子位元可以通过这种波导交换所需的光子。但不仅如此：例如，一个量子位可以向一个方向发送信息，但在相反的方向上保持完全黑暗。这种相互作用在原子的微观世界中极难产生。

因此，这四位理论家的工具箱提供了许多新的可能性，让量子比特彼此通信。这正是未来量子模拟器所需要的。这个概念也是普遍的：它也可以在一些量子系统中实现，这些量子系统由许多目前正在研究的量子比特组成。这四位理论家的新工作可能成为从纯粹的基础研究到量子信息的全新思想的核心。 

原文链接：https://phys.org/news/2019-08-toolkit-photonics-quantum-simulation-radio.html